Gravitation - De l'Univers

C'était en septembre 1608, à la foire annuelle de Francfort. Un Hollandais mettait en vente "un instrument grâce auquel les objets les plus lointains pouvaient être vus aussi bien que s'ils étaient assez près". (1)

Moins d'un an plus tard, Galileo Galilei construisait un instrument qui pouvait grossir une vingtaine de fois, instrument qui lui permit d'observer la Lune, de découvrir quatre des satellites de Jupiter. L'héliocentrisme était dans l'air; mais l'Univers s'arrêtait aux étoiles de la Voie Lactée.

Sur quatre siècles, la notion des "objets célestes les plus lointains", c'est quelque peu relativisée. Cette évolution est évidemment associée au perfectionnement d'instruments de plus en plus puissants. C'est une première leçon que l'on peut tirer de la découverte que nous annonçons en introduction.

Cette découverte prouve, s'il le fallait encore, que la recherche sur l'Univers, sur les phénomènes cosmiques, est une des plus grandes et des plus belles aventures de l'humanité et une des plus ambitieuses entreprises de la science contemporaine.

Enfin, ce qui ne gâche rien, c'est qu'elle nous réserve bien des surprises aussi bien dans les découvertes que dans les résultats d'observations réalisées pour la première fois. Voilà où se niche le grand frisson de la découverte et qui survient quand on interroge les richesses de l'Univers.

Quasar et lentille gravitationnelle

L'effet de lentille gravitationnelle ne produit pas seulement des images multiples. Il peut aussi concentrer et amplifier la lumière d'un quasar, de sorte qu'il apparaît plus brillant qu'il n'est en réalité. Ce rôle est à souligner. Les champs de gravitation agissent de manière analogue aux systèmes optiques de lentilles et miroirs.

Depuis l'éclipse de Soleil de 1919, quand des astronomes observèrent pour la première fois un déplacement apparent de la position des étoiles proches du limbe solaire, on sait que les rayons lumineux peuvent être déviés, non seulement par des éléments optiques (miroirs, lentilles), mais aussi par des champs de gravité. En fait, cet effet avait été prédit par Einstein dans le cadre de sa théorie de la Relativité générale.

Cette déviation des rayons lumineux est également observée lorsque la lumière émise par un quasar lointain passe à proximité d'un ou plusieurs objets massifs. De tels objets peuvent être, par exemple, des galaxies individuelles ou des amas de galaxies, et sont appelées lentilles gravitationnelles.

En fonction de la masse et de la configuration géométrique des objets composant la lentille gravitationnelle, les rayons lumineux peuvent non seulement être déviés selon plusieurs angles, donnant lieu à des images multiples (mirages gravitationnels) ou quasar, mais, de plus, certaines de ces images peuvent apparaître plus brillantes que le quasar lui-même nous apparaîtrait en l'absence de lentille gravitationnelle.

Cet effet d'amplification nous permet, en principe, d'observer des images de quasars très distants qui seraient, en l'absence d'amplification, trop faibles pour être détectés à l'aide des télescopes actuels. Les lentilles gravitationnelles nous permettent donc d'étudier des régions très éloignées de l'Univers, c'est-à-dire très anciennes et inaccessibles de l'Univers. Il est aussi concevable que le mirage gravitationnel perturbe de manière significative notre vue de l'Univers éloigné. Des observations futures devraient faire plus de lumière sur ce problème fondamental.

Les quasars furent découverts en 1963. Ils font partie d'une classe d'objets d'apparence ponctuelle et animés d'une grande vélocité. Nombre d'astronomes pensent aujourd'hui qu'ils sont les noyaux extrêmement énergétiques de galaxies éloignées. La totalité de l'énergie émise par un quasar (sa luminosité absolue) peut être déterminée en mesurant sa luminosité apparente perçue sur Terre et à partir de sa distance, puisque l'intensité de la lumière mesurée décroît comme le carré de la distance.

Depuis quelques années, un groupe international d'astronomes recherche des lentilles gravitationnelles en étudiant des quasars sélectionnés avec une luminosité absolue particulièrement élevée. Supposant que certains d'entre eux apparaissent plus brillants qu'ils ne le sont en réalité à cause de l'effet de lentille gravitationnelle, ils s'attendaient à ce que, après des observations plus proches, certaines des images des quasars s'avèreraien être doubles ou multiples.

Ce groupe international d'astronomes et d'astrophysiciens est conduit par une équipe liégeoise du Laboratoire d'Astrophysique extragalactique de l'Institut d'Astrophysique et de Géophysique de l'Université de Liège, aujourd'hui constitué de Jean Surdej, Eric Gosset, Damien Hutsemékers, Pierre Magain, Marc Remy, Jean-Pierre Swings, Eddy van Drom, Olivier Hainaut, Alain Smette et Benoît Pirenne. Les autres équipes sont françaises, allemandes et américaines. (2)

Cent millions de millions de Soleil ?

Le quasar Q1208+1011, de magnitude 17,5 dans le coin N-O de la Constellation de la Vierge, a été découvert en 1986. A cette époque, il s'agissait de l'objet le plus éloigné connu dans l'Univers. Avec un décalage vers le rouge (3) de 3,8, correspondant à une distance d'environ 16 milliards d'années de lumière (si l'on suppose à l'Univers un âge de 20 milliards d'années), on a découvert que sa luminosité absolue n'était pas moins de 100.000 milliards de fois celle du Soleil.

Voilà une production incroyablement haute d'énergie. C'est I'équivalent de 10²³ (1 suivi de 23 zéros) bombes à hydrogène d'une mégatonne chaque seconde, ou la complète transformation d'une masse Terre en énergie pure toutes les 14 secondes. Cette immense énergie pourraît être produite par un trou noir extrêmement massif au centre du quasar.

Soupçonnant finalement que Q1208+1011 apparaissait partiellement être si brillant à cause de I'amplification gravitationnelle, les astronomes l'ont mis sur leur liste d'observation avec plus de 150 autres quasars brillants. Chacun d'entre eux avait été entretemps observé avec des télescopes à haute résolution à La Silla et ailleurs. On a montré que cinq d'entre eux avaient des images multiples et 14 autres sont suspectés d'être multiples. Par conséquent, I'effet de lentille gravitationnelle se trouve être un phénomène plus courant que ce qu'on ne pensait jusque là.

On a obtenu une premibre image de Q1208+1011 déja en avril 1987, mais ce n'est qu'en mai 1991 qu'une analyse minutieuse indiqua que ce quasar pouvait être double, selon le developpement d'un programme informatique d'images plus performantes réalisé par le groupe.

Une autre image fut obtenue au telescope de 2,2 m de I'ESO/MPI à La Silla, au début de juillet 1991. Son analyse montra alors clairement deux images séparées de 0,45 seconde. L'objet le plus brillant est situé à peu près au nord de l'autre et est environ 3,5 fois plus brillant. Un groupe americain a depuis obtenu une image de Q1208+1011 avec le Télescope spatial Hubble.

Cette image a été analysée par le groupe international immédiatement, bien qu'elle fut obtenue bien en dessous des conditions optimales (sans guidage du télescope). Elle confirme pleinement les données de base obtenues au sol. (Voir l'illustration).

Mirage gravitationnel ou quasar binaire ?

Q1208+1011 est le quasar le plus distant dont on a découvert que l'image était double. Ces deux images ont aussi la plus petite séparation angulaire parmi les quelques quasars connus ayant des images multiples. Mais cela pourraît ne pas étre un quasar binaire. Cela pourraît être deux quasars différents qui sont très proches l'un de l'autre dans l'espace et dont les images peuvent être vues par conséquent dans la même direction.

Ce phénomène ne peut être mis au clair qu'en obtenant des spectres individuels des deux images. S'ils sont différents, il pourrait s'agir d'un quasar binaire. S'ils sont complètement identiques, les deux images sont celles du même objet et elles peuvent être l'effet d'un mirage gravitationnel. Cependant. une telle observation est extrêmement difficile à cause de la très petite séparation entre les deux images.

Le spectre combiné de Q1208+1011 montre plusieurs raies d'absorption, causées par I'hydrogène, le carbonne, le silicium, I'aluminium, le magnésium et le fer dans plusieurs galaxies, et situées le long de la ligne de visée de Q1208+1011, approximativement au 3/4 de la distance du quasar. L'une d'elles peut être la cause de l'effet de mirage.

L'importance de Q1208+1011

La découverte d'un quasar double à cette énorme distance est très excitante. Q1208+1011 va être étudié avec différentes techniques comprenant des optiques adaptatives et l'interférométrie pour la source la plus petite.

Les astronomes ont l'intention d'utiliser le télescope NTT (Télescope de Nouvelle Technologie) de l'ESO à La Silla, le Télescope optique nordique à La Palma et le télescope Canada-France-Hawaï du Mauna Kea à Hawaï, pour obtenir des images haute résolution. De la sorte, ils espèrent obtenir des spectres individuels des deux images, lesquelles posent la question de la nature de Q1208+1011.

Si Q1208+1011 est un quasar binaire, il nous fournira une occasion unique d'étudier un objet extrêmement rare (on n'en connaît qu'un seul) juste après sa formation dans l'Univers jeune.

Les deux images seront surveillées durant les années à venir de manière à déceler d'éventuelles variations d'intensité. S'il s'agit d'une lentille gravitationnelle comme on le croit plus vraisemblablement aujourd'hui, n'importe quel changement de luminosité dans une image est suivi d'un changement similaire de la seconde image après quelque temps. L'interval de temps détermine avec précision la différence de position des deux faisceaux.

A partir de la séparation observée des deux images et le rapport des distances du mirage gravitationnel et du quasar, il est alors possible de déterminer la distance au quasar en km. Cela permettra une détermination indépendante sur une très large échelle de la constante universelle de Hubble qui décrit l' expansion et, par consequent, I'âge de l'Univers. Ce serait là un résultat extrêmement important.

Cela signifiera aussi qu'on pourra voir des fluctuations de lumière rapides, lesquelles sont causées par un effet de "micro-lentilles" lorsque des objets compacts se meuvent dans la ligne de visée. En théorie, cela devrait permettre la détection d'objets de la taille d'une planète, à plus de 12 milliards d'années de lumière.

La lumière que nous observons maintenant de Q1208+1011 a voyagé jusqu'à nous durant plus de 80 % de l'âge de l'Univers. Nous pourrions par conséquent nous trouver devant un double mirage : I'image déformée d'un objet qui n'existe peut-être plus ! Nous serions donc, alors, en présence d'un fossile du debut de I'Univers.

L'expression "Voir les objets les plus lointains" du vendeur de lunettes de la foire de Francfort a bien changé de sens. Aujourd'hui, nous voyons tôt dans le passé. Les astrophysiciens sont aussi des archéologues.

L'histoire de l'Univers, tout comme l'histoire de l'homme, n'est intelligible qu'à partir de ses lointains commencements.

Pierre Bastin